CN201667547U

CN201667547U - 嵌入可编程开关式充电功能的锂电池保护模块

Info

Publication number: CN201667547U
Application number: CN2010201065231U
Authority: CN
Inventors: 邬伟; 张树望; 曾明球
Original assignee: Shanghai Changyuan Wayon Circuit Protection Co Ltd
Priority date: 2010-02-02
Filing date: 2010-02-02
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2020-02-02

Abstract

本实用新型嵌入可编程开关式充电功能的锂电池保护模块，是一种装置于充电器内且适合于3-4节锂离子电池组的带充电控制的保护模块，属于电池技术领域。本实用新型用于锂离子可充电电池组的充放电保护和充电控制装置，由分别与单片机芯片连接的充电控制模块和保护模块构成，所有元件采用贴片式或插件式封装，装在印刷线路板上或封装在不同的线路板上，通过单片机编程驱动充电电路，单片机U2驱动的一脉宽调制芯片U1(MCP1631HV)和电池管理保护芯片U3S8254构成的二模块。与现有的单一充电或保护的保护板相比，拥有更强大的功能，适用范围更广，对各种不同特性的锂离子电池具有良好的适应性。

Description

嵌入可编程开关式充电功能的锂电池保护模块

技术领域

本实用新型嵌入可编程开关式充电功能的锂电池保护模块，是一种装置于充电器内且适合于3-4节锂离子电池组的带充电控制的保护模块，属于电池技术领域。

技术背景

电子信息时代使人们对移动电源的需求快速增长，由于锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、无记忆效应、自放电量较低及单节锂离子电池电压高等优点，使其在便携式电子设备、电动汽车、空间技术、国防工业等方面具有广阔的应用前景，成为近年广为关注的研究热点，必将对未来人们的生活产生深刻的影响。

虽然锂离子电池具有以上所述的诸多优点，但在使用时需严格注意过压保护、过放电保护和过流保护，而且对保护电路的精度要求也比较高。在锂离子电池的使用过程中，可能会由于使用者的错误造成过充电而导致锂离子电池温度上升；由于电解液的分解产生气体，使其内部压力上升、金属锂释出，而造成起火或破裂的危险。在锂离子电池放电时，若过放电将会分解电解液，使得锂离子电池的特性产生劣化，影响锂离子电池的寿命。因此锂离子必须配备精确稳定的保护模块。目前绝大多数保护板都只具有保护功能，用户在充电时必须使用配套的充电器，使用起来不便利。

另一方面，为锂离子电池进行充电时，如果不采用合理的充电方法，将会影响到电池的循环寿命甚至损坏电池。对于不同正极材料(如LiCoO₂，LiNiO₂，LiMn₂O₄，LiFePO₄等)的锂离子电池来说，拥有不同的化学特性，所需的充电曲线也不尽相同，而目前广泛使用的充电器都只针对某一特性的锂电池应用，要应用于其他特性的电池就必须修改硬件。

发明内容

实用新型所要解决的技术问题在于：提供一种便利、稳定、可靠性高，充电效率高的嵌入可编程开关式充电功能的锂电池保护模块，促使锂电池在使用过程中充分发挥能量密度高、循环寿命长的优点，并保证安全。

本实用新型目的通过下述技术方案实现：一种嵌入可编程开关式充电功能的锂电池保护模块，用于锂离子可充电电池组的充放电保护和充电控制装置，由分别与单片机芯片连接的充电控制模块和保护模块构成，所有元件采用贴片式或插件式封装，装在印刷线路板上或封装在不同的线路板上，其中：

所述的充电控制模块包括一单片机芯片U2(PIC16F526)、一脉宽调制芯片U1(MCP1631HV)、充电开关N沟道场效应管Q1、耦合电感L1、输入输出滤波电容C1、C2、C4、热敏电阻RT1以及状态显示LED管D2、D3、D4，由于MCP1631HV最大输入电压为16V，设置前端保护电路单元，此前端保护单元由晶体三极管Q3，Q4，P沟道场效应管Q5以及6颗分压电阻构成，输入电压高于16V时，Q3，Q5导通，场效应管Q5关断，充电控制模块不工作，来自脉宽调制芯片U1的PWM信号控制充电开关N沟道场效应管Q1，通过电感L1对电池进行充电，充电分为预充电、恒流充电、恒压充电、涓流充电四个阶段，通过设置单片机U2的程序调节PWM信号的占空比和开关频率，使充电电压、电流以及充电曲线达到设定的输出值，单片机可同时烧入多种针对不同化学特性锂电池的充电曲线，通过外部跳线J3和电阻R19、R22阻值匹配进行选择；充电电压单片机程序烧入通过J4编程接口进行，单片机可实时监测充电状态，充电状态通过3个LED管D2、D3、D4显示，上电时D2常亮，充电时D3闪烁，充电完成D4常亮；通过R16，R17对充电回路进行闭环控制，在整个充电过程中保证各项参数控制在设定的范围内，可根据需要扩展更多功能；

所述的保护模块：包括一颗3-4节锂电池管理保护芯片U3 S8254、一个双P沟道充放电功率场效应管Q2、场效应管散热片及场效应管滤波电容C17、C18、C19、C20和C21，通过保护芯片的COP、DOP端子来控制场效应管Q2的通、断；电流检测精密电阻SR1、SR2；充放电保护延迟时间设置电容C22、C23以及电池3-4节切换电阻R36、R37、R38；当对电池组充电时，检测电池电压达到设定的保护电压，当温度上升导致电池内压升高，为防止温度上升导致电池内压升高，需要终止充电状态，此时激活过充电保护功能，关闭充电场效应管Q2，终止充电；电池组放电时，检测到电压低于电池过放电保护电压检测点时，激活过放电保护功能，关闭放电场效应管Q2，终止放电，并将电池保持低静态电流的待机模式；电池在过电流和短路的情况下，激活过电流保护功能，关闭放电场效应管Q2，终止放电，通过调节外接电容C22、C23设置过电流检测延迟时间控制端，以免出现场效应管Q2的误操作，对于不同产品的工作电流要求不同，通过调节精密电阻SR1，SR2阻值来实现。

电池组充放电、过流、短路保护功能主要是依靠保护芯片的COP、DOP端子来控制场效应管的通、断。可通过调节C22，C23来设置保护延迟时间，以免在出现场效应管的误操作。对于不同产品的工作电流要求不同，过电流保护值要求范围也比较宽泛，可通过调节精密电阻SR1，SR2阻值来实现。

在上述方案基础上，所述的锂电池管理保护芯片U3 S8254在3、4组电池的切换通过电阻R36，R37，R38实现，装配R36，不装配R37，R38用于4节串联电池组，反之不装配R36，装配R37，R38适用于3节串联电池组，每节电池输入端需加RC滤波电路。

在上述方案基础上，所述的场效应管Q2为P沟道的低内阻金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET，位于充电器电芯正极和电池包正极之间，通过并联多个MOSFET实现更大的载流能力。

所述的充电控制模块通过外置热敏电阻监测环境温度，在充电过程中温度超过设定值时，充电过程及时停止。

所述的印刷电路板为环氧树脂基板。

本实用新型的优点在于功能全面、使用范围广、充电效率高，可同时实现3-4串锂离子电池组的保护和充电功能，对不同化学特性的电芯可保持硬件不变，只修改单片机程序。

附图说明

图1充电控制模块电路原理图

图2前端保护电路单元电路原理图

图3管理保护模块电路原理图

具体实施方式

一种嵌入可编程开关式充电功能的锂电池保护模块，装置在充电器中，用于锂离子可充电电池组的充放电保护和充电控制装置，由分别与单片机芯片连接的充电控制模块和保护模块构成，所有元件采用贴片式或插件式封装，装在印刷线路板上或封装在不同的线路板上，其中：

1.充电模块：包括一颗单片机芯片PIC16F526，编号为U2；一颗脉宽调制芯片MCP1631HV，编号为U1；充电开关N沟道场效应管Q1；晶体三极管Q3，Q4，P沟道场效应管Q5；耦合电感L1，滤波电容C1，C2，C4，热敏电阻RT1，状态显示LED D2，D3，D4。

由于MCP1631HV最大输入电压为16V，为避免错误使用外接适配器等原因而输入高于16V电压时造成充电器损坏的情况，保护板设置了前端保护电路单元。此前端保护单元由Q3，Q4，Q5以及6颗分压电阻构成，输入电压高于16V时，Q3，Q5导通，场效应管Q5关断，充电模块不工作。

来自U2的PWM信号控制充电开关，通过电感L1对电池进行充电，充电分为预充电，恒流充电，恒压充电，涓流充电四个阶段。通过设置单片机U1的程序调节PWM的占空比和开关频率，使充电电压、电流以及充电曲线可达到所需的输出值。单片机可同时烧入多种针对不同化学特性锂电池的充电曲线，通过外部跳线J3和R19，R22阻值匹配进行选择。配置情况如下表所示：

	外围配置	适用情况
			1	J3的1，2脚短接，R19/R22＝1	适用于3串锂电池，充电电压12.6V
2	J3的1，2脚短接，R19/R22＝2	适用于4串锂电池，充电电压16.8V
			3	J3的2，3脚短接，R19/R22＝1	适用于3串铁锂电池，充电电压11.4V
4	J3的2，3脚短接，R19/R22＝2	适用于4串铁锂电池，充电电压15.2V

充电电压单片机程序烧入通过J4编程接口进行。充电状态通过3个LED显示，上电时D2常亮，充电时D3闪烁，充电完成D4常亮。

通过外部热敏电阻RT1检测电池温度，RT1采用线束封装，在保护板和电芯装配时将RT1的检测端子紧贴在电芯侧面，并用胶固定，在充电过程当中当电芯温度超过55℃时停止充电。

2.锂电池管理保护模块：包括一颗3-4节锂电池管理保护芯片S8254，编号为U3；一颗双P沟道充放电功率场效应管Q2；场效应管散热片及场效应管滤波电容C17-C21；电流检测精密电阻SR1，SR2；充放电保护延迟时间设置电容C22、C23；电池3-4节切换电阻R36、R37、R38。当对电池组充电时，检测电池电压达到设定的保护电压，为防止温度上升导致电池内压升高，需要终止充电状态，此时激活过充电保护功能，关闭充电场效应管，终止充电。电池组放电时，当检测电压低于电池过放电保护电压检测点时激活过放电保护功能，关闭放电场效应管，终止放电，并将电池保持低静态电流的待机模式。电池在过电流和短路的情况下，激活过电流保护功能，关闭放电场效应管，终止放电。电池组充放电、过流、短路保护功能主要是依靠保护芯片的COP、DOP端子来控制场效应管的通、断。可通过调节C22，C23来设置保护延迟时间，以免在出现场效应管的误操作。对于不同产品的工作电流要求不同，过电流保护值要求范围也比较宽泛，可通过调节SR1，SR2阻值来实现。

本实施例功能全面，使用范围广，充电效率高，可同时实现3-4串锂离子电池组的保护和充电功能，对不同化学特性的电芯可保持硬件不变，只修改外围跳线及电阻配置。

Claims

1.一种嵌入可编程开关式充电功能的锂电池保护模块，装置在充电器内，用于锂离子可充电电池组的充放电保护和充电控制装置，由分别与单片机芯片连接的充电控制模块和保护模块构成，所有元件采用贴片式或插件式封装，装在印刷线路板上或封装在不同的线路板上，其特征在于：

所述的充电控制模块包括一单片机芯片U2、一脉宽调制芯片U1、充电开关N沟道场效应管Q1、耦合电感L1、输入输出滤波电容C1、C2、C4、热敏电阻RT1以及状态显示LED管D2、D3、D4，由于脉宽调制芯片U1最大输入电压为16V，设置前端保护电路单元，此前端保护单元由晶体三极管Q3，Q4，P沟道场效应管Q5以及6颗分压电阻构成，输入电压高于16V时，Q3，Q5导通，场效应管Q5关断，充电控制模块不工作，来自U1的PWM信号控制充电开关，通过电感L1对电池进行充电，充电分为预充电、恒流充电、恒压充电、涓流充电四个阶段，通过设置单片机U2的程序调节PWM信号的占空比和开关频率，使充电电压、电流以及充电曲线达到设定的输出值，单片机同时烧入多种针对不同化学特性锂电池的充电曲线，通过外部跳线J3和电阻R19、R22阻值匹配进行选择；充电电压单片机程序烧入通过J4编程接口进行，充电状态通过3个LED管D2、D3、D4显示，上电时D2常亮，充电时D3闪烁，充电完成D4常亮；通过R16，R17对充电回路进行闭环控制，在整个充电过程中保证各项参数控制在设定的范围内；

所述的保护模块：包括一颗3-4节锂电池管理保护芯片U3 S8254、一个双P沟道充放电功率场效应管Q2、场效应管散热片及场效应管滤波电容C17、C18、C19、C20和C21，通过保护芯片的COP、DOP端子来控制场效应管Q2的通、断；电流检测精密电阻SR1、SR2；充放电保护延迟时间设置电容C22、C23以及电池3-4节切换电阻R36、R37、R38；当对电池组充电时，检测电池电压达到设定的保护电压，当温度上升导致电池内压升高，需要终止充电状态，此时激活过充电保护功能，关闭充电场效应管Q2，终止充电；电池组放电时，检测到电压低于电池过放电保护电压检测点时，激活过放电保护功能，关闭放电场效应管Q2，终止放电，并将电池保持低静态电流的待机模式；电池在过电流和短路的情况下，激活过电流保护功能，关闭放电场效应管Q2，终止放电，通过调节外接电容C22、C23设置过电流检测延迟时间控制端，以免出现场效应管Q2的误操作，对于不同产品的工作电流要求不同，通过调节电阻SR1，SR2阻值来实现。

2.根据权利要求1所述嵌入可编程开关式充电功能的锂电池保护模块，其特征在于：所述的锂电池管理保护芯片U3 S8254在3、4组电池的切换通过电阻R36，R37，R38实现，装配R36，不装配R37，R38用于4节串联电池组，反之不装配R36，装配R37，R38适用于3节串联电池组，每节电池输入端需加RC滤波电路。

3.根据权利要求1所述嵌入可编程开关式充电功能的锂电池保护模块，其特征在于：所述的场效应管Q2为P沟道的低内阻金属氧化物半导体场效应晶体管，位于充电器电芯正极和电池包正极之间，通过并联多个场效应晶体管实现更大的载流能力。

4.根据权利要求1所述嵌入可编程开关式充电功能的锂电池保护模块，其特征在于：所述的充电控制模块通过外置热敏电阻监测环境温度，当温度超过设定值时，充电过程停止。

5.根据权利要求1所述嵌入可编程开关式充电功能的锂电池保护模块，其特征在于：所述的印刷电路板为环氧树脂基板。